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Verfahren zum Schmelzen und Giessen
Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen beim Pfannenschmelzen und Pfannengiessel1, d. h. beim Schmelzen von Material in einem gekühlten Tiegel, wobei Hitze so angewandt wird, dass ein
Schmelzsumpf von geschmolzenem Material in einer Höhlung oder einer Pfanne des gleichen Materials in fester Form gehalten wird und im wesentlichen kein direkter Kontakt zwischen dem geschmolzenen Material und dem Tiegel vorliegt, worauf das geschmolzene Material in eine Kokille gegossen wird.
Ge- gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, die Verfahrensschritte des Schmelzens, Ausgiessens und
Giessens zu vereinfachen ; bessere Reinigung durch Entgasung im Hochvakuum zu erreichen ; den Prozess besser kontrollieren zu können ; jegliche Möglichkeit eines Kontaktes zwischen dem geschmolzenen Ma- terial und irgendeinem Körper, der es verunreinigen könnte, auf ein Minimum zu bringen ; schliesslich ergibt das erfindungsgemässe Verfahren andere Vorteile, die im weiteren Verlauf der Beschreibung darge- legt wird.
Es ist bereits bekannt, einen schmelzbaren Körper in einem gekühlten Tiegel zu halten, während durch Anwendung von Hitze auf die obere Fläche dieses Körpers ein Schmelzsumpf gebildet wird. Wenn maMeinen wassergekühlten ringförmigenKupfertiegel verwendet und die Hitze gleichmässig auf die Ober- fläche der Schmelze einwirken lässt, nimmt die Grenzfläche Flüssigkeit-Feststoff die Gestalt eines Para- boloids an und der Schmelzsumpf wird durch eine Pfanne des gleichen Materials in fester Form vom Tie- gel ferngehalten.
Die Dimensionen dieses Paraboloids hängen nun vom Zusammenwirken variabler Grö- ssen ab : Der Temperatur des Tiegels, des thermischen Kraftflusses in die Oberfläche der Schmelze und den thermischen Eigenschaften des geschmolzenen Materials ; das Zusammenwirken dieser Grössen wird nun erfindungsgemäss in Zusammenhang mit den vorerwähnten, an sich bekannten Massnahmen zur Erzie- lung eines besonderen Effektes ausgenützt. Insbesondere kann die Tiefe des Schmelzsumpfes nach Wunsch vergrössert oder verkleinert werden durch Verstärkung oder Abschwächung der Wärmezufuhr zur Oberflä- che der Schmelze, während die Kühlung des Tiegels entsprechend der Wärmezufuhr eingestellt wird, wo- durch der Tiegel und die unmittelbar anschliessenden Teile des Materials darin unter der Schmelztempe- ratur des Materials gehalten werden.
Wenn man so das vorerwähnte Heizen und Kühlen steuert und koordiniert, kann der Schmelzsumpf solange als gewünscht innerhalb einer Pfanne des gleichen Materials in fester Form gehalten werden, um so jeden gewünschten Grad an Entgasung und Reinigung zu bewirken. Hierauf wird durch neues gesteuer- tes Abstimmen von Heizung und Kuhlung die Tiefe des Sumpfs vergrössert, bis der Boden des Sumpfs die Bodenfläche des Schmelzgutkörpers innerhalb des Tiegels durchdringt. Hierauf fliesst das geschmolzene
Material vom Boden dieses Sumpfs durch eine Bodenöffnung des Tiegels in die Kokille, worin es vergos- sen wird.
Es erfolgt daher der Guss des geschmolzenen Materials vom Tiegel in die Kokille halbautoma- tisch ; der Tiegel muss nicht bewegt werden und es findet kein Kontakt des geschmolzenen Materials mit irgendeinem andern Material, das es verunreinigen könnte, statt, bis es sich in der Kokille befindet.
Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung näher er- läutert. Einfachheitshalber wird eine typische Apparatur des erfindungsgemässen Verfahrens dargestellt und beschrieben : es soll jedoch darauf hingewiesen werden, dass zahlreiche Abänderungen möglich sind und dass die Erfindung zu ihrer Durchführung keineswegs auf eine besondere Apparatur beschränkt ist.
Die Zeichnung zeigt einen vereinfachten schematischen Vertikalschnitt einer Apparatur, die zur
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Durchführung des erfindungsgemässen Schmelz- und Gussverfahrens verwendet wird.
Das vorliegende Verfahren kann im Hochvakuum ausgeführt werden, d. h. bei weniger als 1 IL Hg absolutem Druck, wobei die Entgasung und Reinigung des geschmolzenen Materials leicht bis zu einem Grad durchgeführt werden kann, der bei höheren Drücken unmöglich ist. Um dies zu erreichen, wird das Verfahren in einemw Vakuumbehälter irgendeiner geeigneten Konstruktion durchgeführt-vorzugsweise in einem Behälter mit genügend Zufuhröffnungen, Luftschleusen u. dgl., um leicht Teile erneuern, Tiegel ein-und ausführen sowie Kokillen und Gussstücke ausbringen zu können, welcher mit Vakuumpumpen hinreichender Kapazität verbunden ist, um darin das gewünschte Hochvakuum aufrechtzuerhalten.
Eine sehr vereinfachte Ausführungsform eines solchen Behälters, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, besteht aus einem zylindrischen Vakuum tank 1 mit entfernbaren Kopf- und Bodenendplatten 2 und 3, der mittels einer Leitung 4 mit üblichen Hochvakuumpumpen verbunden ist.
Innerhalb des Vakuumtanks befindet sich ein im allgemeinen ringförmiger wassergekühlter Kupfertiegel 5 mit einem ganz offenen oberen Ende und einem unteren Ende mit einer zentralen kreisförmigen Öffnung 6 mit etwas geringerem Durchmesser. In diesem besonderen Beispiel ist der Tiegel mit zwei getrennen Kühlsystemen versehen, so dass die obere und die untere Hälfte des Tiegels, wenn gewünscht, in verschiedenem Mass gekühlt werden können. Diese Kühlsysteme bestehen aus zwei Kupferrohrstücken, die den Tiegel entsprechend umgeben und an diesem befestigt sind ; ein Rohr 7, das den oberen Teil des Tiegels umschliesst, und ein Rohr 8, das den unteren Teil des Tiegels umgibt und eine Verlängerung besitzt, die am Tiegelboden befestigt ist.
Diese Kupferrohre sind durch die Wände des Vakuumtanks geführt und mit irgendeiner geeigneten Kühlwasserquelle verbunden.
Beim Arbeiten im Hochvakuum ist die Erhitzung durch Elektronenbeschuss sehr günstig, um die Wärmezufuhr gleichmässig über die Oberfläche der Schmelze zu verteilen. Hiefür ist eine ringförmige Elek- tronenemissionseinrichtung, bestehend aus einer Glühkathode 9 und einem Fokussierungsschild 14, über dem Oberteil des Tiegels 5 angeordnet. Die Glühkathode 9 besteht vorzugsweise aus einer Drahtschleife, gewöhnlich Wolfram, und ist mit den Leitungen 10 und 11 verbunden, die durch die Wand des Vakuumtanks zur Sekundärwicklung 12 eines Transformators führen, dessen Primärwicklung 13 mit irgendeiner geeigneten Wechselstromquelle in Verbindung steht. Diese Leitungen führen Wechselstrom durch die Glühkathode 9, wodurch diese auf die nötige Temperatur zur thermischen Emission von Elektronen erhitzt wird.
Der Fokussierungsschild 14 ist, wie gezeigt, ein hohler Metallring mit im allgemeinen rinnenförmigem Querschnitt. Der Fokussierungsschild wird auf oder nahe Kathodenpotential gehalten, z. B. durch eine Verbindungsleitung 15 zwischen Schild und Kathodenschleife. Diese kombinierte Anordnung bildet eine Elektronenemissionseinrichtung, die einen kegelförmigen Elektronenstrahl nach unten und in die obere Öffnung des Tiegels 5 und damit auf die Oberfläche des Materialkörpers innerhalb des Tiegels sendet-
Die Gleichstromquelle 16 hält die Kathode 9 und den Fokussierungsschild 14 auf einem Potential von einigen 1000 V negativ gegenüber dem geerdeten Tiegel 5 und dem darin befindlichen Material, so dass die Oberfläche des Materials innerhalb des Tiegels die Anode bildet, die durch einen Strahl von mässig schnellen Elektronen beschossen und erhitzt wird.
Hiezu ist zu bemerken, dass auch manche Materialien, die gewöhnlich als Isolatoren bezeichnet werden, in geschmolzenem Zustand gute Elektrizitätsleiter sind, wie z. B. verschiedene Salze usw.
Das zu schmelzende Material wird in dem Tiegel angeordnet. In manchen Fällen kann es aus einzelnen Stücken von festem Material bestehen ; öfter jedoch liegt das Material in zerteilter Form, wie Lunkern, Körnern oder Pulvern vor. In der Zeichnung ist ein Metallpulver angedeutet. Damit das Pulver nicht durch die Bodenöffnung 6 des Tiegels fällt, ist ein einziges festes Stück aus dem gleichen Material (z. B. die Scheibe 17 aus dem gleichen Metall wie das zu schmelzende Pulver) am Boden des Tiegels über der Öffnung 6 angeordnet. Hierauf wird das Pulver 18 in den Tiegel eingebracht.
Nun wird der Elektronenstrahl von der. Kathode 9 eingeschaltet und dieser erhitzt die Oberfläche des Pulverkörpers 18 über seine Schmelztemperatur und bildet den Schmelzsumpf 19. Gleichzeitig strömt Wasser durch die Rohre 7 und 8 mit einer entsprechenden Geschwindigkeit, um die Kupferform 5 und das Pulver unmittelbar an den Formwänden unterhalb der Schmelztemperatur des behandelten Materials zu halten. Es wird daher der Schmelzsumpf 19 innerhalb einer Pfanne des gleichen Materials in fester (Pulver-) Form gehalten, ohne mit dem Tiegel in direkter Berührung zu stehen. Die aus der Schmelze entwickelten Gase helfen mit, den Elektronenstrahl ziemlich gleichmässig über die Oberfläche des Sumpfs 19 zu verteilen, so dass ein gleichmässiger Wärmestrom in die Oberfläche der Schmelze stattfindet.
Durch den herrschenden thermischen Gradienten wird die Flüssigkeit heftig gerührt, wodurch nicht nur ein Konvektionswärmeübergang durch die Flüssigkeit erfolgt, sondern auch alle flüchtigen Verunreinigungen an die Oberfläche gebracht werden, von wo sie leicht als Gase oder Dämpfe in das unmittelbar ober der
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Schmelze durch die Vakuumpumpen über die Leitung 4 erzeugte Hochvakuum entweichen.
Die Wärme strömt vom Schmelzsumpf durch das Pulver zu den Tiegelwänden. Kupfer ist ein ausge- zeichneter Wärmeleiter, so dass durch dieses ein sehr wirksamer Wärmeaustausch von der Innenfläche des
Tiegels zum Kühlwasser erfolgt. Es können daher Kupfertiegel verwendet werden und diese werden sogar vorgezogen, sogar zum Schmelzen von feuerfesten Metallen mit wesentlich höheren Schmelzpunkten.
Berechnungen des Wärmeüberganges zeigen, dass die Zwischenschicht 20 zwischen flüssiger und fester
Phase des Schmelzgutes die Gestalt eines Paraboloids annimmt.
Wenn man die Energie des Elektronenstrahls steigert (beispielsweise durch Steigerung der Spannung von der Gleichstromquelle 16 oder durch Steigern des Wechselheizstromes, um die Elektronenemission von der Kathode 9 zu erhöhen oder durch beide Massnahmen) und dabei den Kühlwasserstrom durch die
Rohre 7 und 8 entsprechend der Heizung regelt, um das Pulver unmittelbar an der Tiegelwand unter sei- ner Schmelztemperatur zu halten, kann die Tiefe des Schmelzsumpfs fortschreitend vergrössert werden und dabei die Grenzschicht flüssig/fest, wie durch die strichlierten Linien 21-22 angedeutet, abgesenkt werden. Die ganze Zeit über befindet sich der Schmelzsumpf innerhalb einer Pfanne aus dem gleichen
Metall in fester Form.
Es besteht praktisch kein Kontakt zwischen dem geschmolzenen Material und dem
Tiegel und es kann daher auch die Schmelze nicht verunreinigt werden, auch wenn ein Metall geschmol- zen wird, das in geschmolzenem Zustand heftig mit Kupfer reagiert. Ausserdem kann durch gegenseitige
Abstimmung von Heizung und Kühlung die Grösse des Schmelzsumpfs bei irgendeinem gewünschten Wert stabilisiert und dadurch der Schmelzsumpf innerhalb des Tiegels so lange gehalten werden, als notwendig ist, um einen hohen Reinigungsgrad durch das Entweichen von flüchtigen Substanzen in das Hochvakuum zu erhalten.
Wenn nun das Material fertig zum Guss ist, wird die Tiefe des Sumpfs durch neue gegenseitige Ein- stellung von Heizung und Kühlung weiter vergrössert (beispielsweise kann der Kühlwasserstrom durch das
Rohr 8 unterbrochen und dadurch eine Temperaturerhöhung am Tiegelboden bewirkt werden). Wenn der
Sumpf an Tiefe zunimmt, erreicht er schliesslich die Scheibe 17 und durchdringt diese, wie durch die unterbrochene Linie 23 dargestellt. Es sei daran erinnert, dass die Scheibe 17 aus dem gleichen Material wie das Pulver 18 bestehen kann, so dass keine Verunreinigung der Schmelze stattfindet.
Das geschmol- zene Material fliesst unmittelbar durch den Boden des Sumpfs und durch die Bodanöffnung 6 des Tiegels heraus, immer ohne irgendwelche Berührung zwischen dem geschmolzenen Material und dem Tiegel oder irgendeinem andern Körper, der die Schmelze verunreinigen könnte.
Direkt unter der Öffnung 6 ist eine Kokille 24 aus geeigneten feuerfestem Material, z. B. Graphit, angeordnet, so dass das aus dem Tiegel ausfliessende Material direkt in diese Form vergossen wird. Vor- zugsweise ist die Kokille vorerhitzt, um zu vermeiden, dass das einfliessende Material abgeschreckt wird.
Wenn gewünscht, kann die Graphitkohille 24 auf eine Temperatur (in der Gegend von 31000 C) erhitzt werden, bei welcher sich unmittelbar das Karbid des vergossenen Metalls bildet. In diesem Fall haben die fertigen Gussstücke eine harte Karbidhaut, bleiben jedoch im Innern des Gussstückes von hoher Reinheit.
Die Vorheizung der Kokille 24 kann auf verschiedene, dem Fachmann bekannte Arten durchgeführt werden. Beim Arbeiten im Hochvakuum kann hiefür Elektronenbeschuss verwendet werden. Hiefür besitzt die gezeigte Apparatur eine zweite Glühkathode 25, die zusammen mit einem ringförmigen Fokussierungschild 26 die Kokille umgibt. Die Kathode 25 ist mit den Leitungen 27 und 28 verbunden, die durch die Wandung des Vakuumtanks zur Sekundärwicklung 29 eines Transformators führen, dessen Primärwicklung 30 mit irgendeiner geeigneten Wechselstromquelle verbunden ist, wodurch die Kathode geheizt wird. Die Gleichstromquelle 31 hält Kathode 25 und Fokussierungsschild 26 auf negativem Potential gegenüber der Graphitkokille 24, wodurch die Kokille durch die Elektronen von dsr Kathode beschossen und erhitzt wird.
Einen weiteren Vorteil des beschriebenen Verfahrens stellt die relative Leichtigkeit dar, mit welcher Wärmeabschirmungen zum langsamen Abkühlen von Guss und Kokille vorgesehen werden können. Infolge des Hochvakuums findet ausser durch Strahlung praktisch kein Wärmeverlust statt. Der Wärmeverlust durch Strahlung wird sehr wirksam durch übliche Hitzeschirme vermindert, die aus verschiedenen Schichten von dünnen Metallblechen bestehen, die, um die direkten Leitungsweg möglichst zu unterbrechen, in Abstand voneinander angeordnet sind. Derartige übliche Hitzeschirme sind schematisch bei 32,33, 34 und 35 gezeigt.
Es ist wünschenswert, dass verschiedene Einrichtungen zur Feststellung der mittleren Temperatur des Materials innerhalb des Tiegels und insbesondere der Lage der Grenzfläche zwischen flüssiger und fester Phase vorgesehen sind. In der dargestellten Apparatur wird dies mit Hilfe eines üblichen Thermoelements 36 erreicht, das im unteren Teil des Tiegels angeordnet ist und von dem Leitungen durch die ofenwand führen. Die Temperatur der Grenzfläche flüssig/fest ist die Schmelztemperatur des behandelten Materials
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und unterhalb der Grenzfläche nimmt die Temperatur kontinuierlich zur Tiegelwand zu ab. Wenn daher die Schmelztemperatur bekannt ist und die Temperatur des Thermoelements gemessen wird, kann daraus leicht auf die Lage der Grenzfläche geschlossen werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Schmelzen und Giessen, wobei eine Bodenöffnung eines vorzugsweise durch Flüs- sigkeit gekühlten Metalltiegels mit einem festen Stück aus dem zu schmelzenden und zu vergiessenden Material bedeckt und hierauf andere Stücke des gleichen Materials über das ersterwähnte Metallstück gepackt werden und so einen Materialkörper innerhalb des Tiegels bilden, worauf dieser Stückkörper von oben nach unten unter Bildung eines Schmelzsumpfes geschmolzen wird, dessen Tiefe zunimmt, bis er das ersterwähnte Metallstück durchdringt und durch die Bodenöffnung des Tiegels in eine Kokille ausfliesst, dadurch gekennzeichnet, dass in an sich bekannter Weise der Raum unmittelbar ober dem Stilckkörper auf ein Hochvakuum evakuiert,
dieser Körper durch einen über seine Oberfläche verteilten Elektronenstrahl geschmolzen und der Tiegel kontinuierlich gekühlt wird, wodurch ein peripherer Ring aus diesem Material unter seiner Schmelztemperatur. beibehalten wird und so kein Kontakt zwischen Schmelzsumpf und Tiegel stattfindet, und dass die Grösse und Form des Schmelzsumpfs durch Verändern von Heizung und Kühlung eingestellt und aufeinander abgestimmt werden, so dass der Schmelzsumpf im Tiegel gehalten wird, bis das geschmolzene Material im wesentlichen entgast ist und dann die Tiefe des Sumpfs vergrössert wird, um das geschmolzene Material in die Kokille zu giessen.
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Process for melting and casting
The invention relates to improvements in ladle melting and ladle pouring, i. H. when melting material in a chilled crucible, applying heat so that a
A pool of molten material is held in solid form in a cavity or pan of the same material and there is essentially no direct contact between the molten material and the crucible, whereupon the molten material is poured into a permanent mold.
The subject of the present invention is the process steps of melting, pouring and
To simplify casting; to achieve better cleaning by degassing in a high vacuum; better control the process; to minimize any possibility of contact between the molten material and any body that might contaminate it; finally, the method according to the invention produces other advantages, which will be explained in the further course of the description.
It is already known to hold a fusible body in a cooled crucible while a molten pool is formed by the application of heat to the upper surface of that body. If you use my water-cooled, ring-shaped copper crucible and let the heat act evenly on the surface of the melt, the liquid-solid interface takes on the shape of a paraboloid and the melt sump is kept away from the crucible in solid form by a pan of the same material .
The dimensions of this paraboloid now depend on the interaction of variable parameters: the temperature of the crucible, the thermal flow of forces into the surface of the melt and the thermal properties of the molten material; the interaction of these variables is now used according to the invention in connection with the aforementioned measures known per se to achieve a special effect. In particular, the depth of the melt sump can be increased or decreased as desired by increasing or decreasing the heat supply to the surface of the melt, while the cooling of the crucible is adjusted according to the heat supply, whereby the crucible and the immediately adjoining parts of the material are below the melting temperature of the material must be kept.
By controlling and coordinating the aforementioned heating and cooling in this way, the molten pool can be kept in solid form within a ladle of the same material for as long as desired, so as to effect any desired degree of degassing and cleaning. The depth of the sump is then increased by means of a new controlled coordination of heating and cooling until the bottom of the sump penetrates the bottom surface of the melting material body within the crucible. The melted one then flows
Material from the bottom of this sump through a bottom opening of the crucible into the mold, in which it is poured.
The molten material is therefore poured from the crucible into the mold semi-automatically; there is no need to move the crucible and there is no contact of the molten material with any other material that could contaminate it until it is in the mold.
The invention is explained in more detail with reference to the following description in conjunction with the drawing. For the sake of simplicity, a typical apparatus of the method according to the invention is shown and described: however, it should be pointed out that numerous modifications are possible and that the invention is in no way restricted to a particular apparatus for its implementation.
The drawing shows a simplified schematic vertical section of an apparatus used for
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Implementation of the inventive melting and casting process is used.
The present process can be carried out under high vacuum; H. at less than 1 IL Hg absolute pressure, degassing and purification of the molten material being easily accomplished to a degree which is impossible at higher pressures. To achieve this, the process is carried out in a vacuum vessel of any suitable construction - preferably in a vessel with sufficient feed openings, air locks and the like. Like. To be able to easily renew parts, import and export crucibles and to be able to bring out molds and castings, which is connected to vacuum pumps of sufficient capacity to maintain the desired high vacuum therein.
A very simplified embodiment of such a container, as shown in the drawing, consists of a cylindrical vacuum tank 1 with removable top and bottom end plates 2 and 3, which is connected by means of a line 4 to conventional high vacuum pumps.
Within the vacuum tank is a generally annular water-cooled copper crucible 5 with a fully open top end and a bottom end with a central circular opening 6 of slightly smaller diameter. In this particular example, the crucible is provided with two separate cooling systems so that the upper and lower halves of the crucible can be cooled to different degrees if desired. These cooling systems consist of two pieces of copper tubing that surround the crucible and are attached to it; a tube 7 which surrounds the upper part of the crucible, and a tube 8 which surrounds the lower part of the crucible and has an extension which is attached to the bottom of the crucible.
These copper pipes are passed through the walls of the vacuum tank and connected to any suitable source of cooling water.
When working in a high vacuum, heating by electron bombardment is very beneficial in order to distribute the heat supply evenly over the surface of the melt. For this purpose, an annular electron emission device, consisting of a hot cathode 9 and a focusing shield 14, is arranged above the upper part of the crucible 5. The hot cathode 9 is preferably made from a loop of wire, usually tungsten, and is connected to lines 10 and 11 which pass through the wall of the vacuum tank to the secondary winding 12 of a transformer, the primary winding 13 of which is connected to any suitable source of alternating current. These lines carry alternating current through the hot cathode 9, whereby it is heated to the temperature required for the thermal emission of electrons.
As shown, the focus shield 14 is a hollow metal ring having a generally trough-shaped cross-section. The focus shield is held at or near cathode potential, e.g. B. by a connecting line 15 between the shield and cathode loop. This combined arrangement forms an electron emission device which sends a conical electron beam downwards and into the upper opening of the crucible 5 and thus onto the surface of the material body within the crucible.
The direct current source 16 keeps the cathode 9 and the focusing shield 14 at a potential of a few 1000 V negative with respect to the earthed crucible 5 and the material located therein, so that the surface of the material within the crucible forms the anode, which is caused by a beam of moderately fast Electrons are bombarded and heated.
It should be noted that some materials, which are commonly referred to as insulators, are good conductors of electricity when molten, e.g. B. various salts etc.
The material to be melted is placed in the crucible. In some cases it can consist of individual pieces of solid material; more often, however, the material is in divided form, such as voids, grains or powders. A metal powder is indicated in the drawing. To prevent the powder from falling through the bottom opening 6 of the crucible, a single solid piece made of the same material (e.g. the disk 17 made of the same metal as the powder to be melted) is arranged at the bottom of the crucible above the opening 6. The powder 18 is then introduced into the crucible.
Now the electron beam is from the. Cathode 9 is switched on and this heats the surface of the powder body 18 above its melting temperature and forms the melting sump 19. At the same time, water flows through the tubes 7 and 8 at a corresponding speed to the copper mold 5 and the powder directly on the mold walls below the melting temperature of the treated Material to hold. The molten sump 19 is therefore held in solid (powder) form within a pan of the same material without being in direct contact with the crucible. The gases developed from the melt help to distribute the electron beam fairly evenly over the surface of the sump 19 so that a uniform flow of heat takes place in the surface of the melt.
Due to the prevailing thermal gradient, the liquid is vigorously stirred, which not only results in a convection heat transfer through the liquid, but also all volatile impurities are brought to the surface, from where they can easily be transferred as gases or vapors into the immediately above
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Melt escape through the high vacuum generated by the vacuum pumps via line 4.
The heat flows from the melt pool through the powder to the crucible walls. Copper is an excellent conductor of heat, so that through it a very effective heat exchange from the inner surface of the
Crucible to the cooling water. Copper crucibles can therefore be used, and are even preferred, even for melting refractory metals with much higher melting points.
Calculations of the heat transfer show that the intermediate layer 20 is between liquid and solid
Phase of the melt material assumes the shape of a paraboloid.
If you increase the energy of the electron beam (for example by increasing the voltage from the direct current source 16 or by increasing the alternating heating current to increase the electron emission from the cathode 9 or by both measures) and thereby the cooling water flow through the
Pipes 7 and 8 are regulated according to the heating, in order to keep the powder directly on the crucible wall below its melting temperature, the depth of the melting sump can be increased progressively and the boundary layer liquid / solid, as indicated by the dashed lines 21-22, be lowered. All the while, the enamel sump is inside a pan of the same
Metal in solid form.
There is practically no contact between the molten material and the
Crucible and therefore also the melt cannot be contaminated, even if a metal is melted that reacts violently with copper in the molten state. Also can through mutual
Coordination of heating and cooling stabilizes the size of the melting puddle at any desired value and thereby keeping the melting puddle inside the crucible for as long as is necessary to obtain a high degree of purification through the escape of volatile substances in the high vacuum.
When the material is now ready to be cast, the depth of the sump is further increased by a new mutual adjustment of heating and cooling (for example, the flow of cooling water through the
Tube 8 interrupted, thereby causing a temperature increase at the bottom of the crucible). If the
As the swamp increases in depth, it finally reaches the disk 17 and penetrates it, as shown by the broken line 23. It should be remembered that the disc 17 can be made of the same material as the powder 18 so that there is no contamination of the melt.
The molten material flows directly through the bottom of the sump and out through the bottom opening 6 of the crucible, always without any contact between the melted material and the crucible or any other body which could contaminate the melt.
Directly under the opening 6 is a mold 24 made of suitable refractory material, e.g. B. graphite, so that the material flowing out of the crucible is poured directly into this shape. The mold is preferably preheated in order to avoid that the incoming material is quenched.
If desired, the graphite mold 24 can be heated to a temperature (in the region of 31,000 ° C.) at which the carbide of the cast metal forms immediately. In this case, the finished castings have a hard carbide skin, but remain of high purity inside the casting.
The preheating of the mold 24 can be carried out in various ways known to those skilled in the art. When working in a high vacuum, electron bombardment can be used for this. For this purpose, the apparatus shown has a second hot cathode 25 which, together with an annular focusing shield 26, surrounds the mold. The cathode 25 is connected to lines 27 and 28 which lead through the wall of the vacuum tank to the secondary winding 29 of a transformer, the primary winding 30 of which is connected to some suitable alternating current source, whereby the cathode is heated. The direct current source 31 holds the cathode 25 and focusing shield 26 at a negative potential with respect to the graphite mold 24, whereby the mold is bombarded and heated by the electrons from the cathode.
Another advantage of the method described is the relative ease with which heat shields can be provided for the slow cooling of the cast and mold. As a result of the high vacuum, there is practically no heat loss apart from radiation. The heat loss through radiation is very effectively reduced by conventional heat shields, which consist of different layers of thin metal sheets, which are arranged at a distance from one another in order to interrupt the direct conduction path as far as possible. Such conventional heat shields are shown schematically at 32, 33, 34 and 35.
It is desirable that various devices are provided for determining the mean temperature of the material within the crucible and in particular the position of the interface between the liquid and solid phase. In the apparatus shown, this is achieved with the aid of a conventional thermocouple 36 which is arranged in the lower part of the crucible and from which lines lead through the furnace wall. The temperature of the liquid / solid interface is the melting temperature of the material being treated
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and below the interface the temperature decreases continuously towards the crucible wall. Therefore, if the melting temperature is known and the temperature of the thermocouple is measured, conclusions can easily be drawn about the position of the interface.
PATENT CLAIMS:
1. A method for melting and casting, wherein a bottom opening of a metal crucible, preferably cooled by liquid, is covered with a solid piece of the material to be melted and cast and then other pieces of the same material are packed over the first-mentioned metal piece and thus a body of material inside of the crucible, whereupon this piece body is melted from top to bottom to form a melt pool, the depth of which increases until it penetrates the first-mentioned piece of metal and flows out through the bottom opening of the crucible into a mold, characterized in that the space is known per se evacuated to a high vacuum immediately above the Stilck body,
this body is melted by an electron beam distributed over its surface and the crucible is continuously cooled, whereby a peripheral ring of this material is below its melting temperature. is maintained and so there is no contact between the melting puddle and crucible, and that the size and shape of the melting puddle are adjusted and coordinated by changing the heating and cooling, so that the melting puddle is held in the crucible until the molten material is essentially degassed and then the depth of the sump is increased in order to pour the molten material into the mold.